Modeling of Steam Cracking of Complex Hydrocarbon Mixtures
Katrien Fret
Promotoren: prof. dr. Marie-Françoise Reyniers, prof. dr. ir. Guy Marin Begeleider: dr. ir. Kevin Van Geem
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: chemische technologie
Vakgroep Chemische proceskunde en technische chemie Voorzitter: prof. dr. ir. Guy Marin Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2008-2009
Modeling of Steam Cracking of Complex Hydrocarbon Mixtures
Katrien Fret
Promotoren: prof. dr. Marie-Françoise Reyniers, prof. dr. ir. Guy Marin Begeleider: dr. ir. Kevin Van Geem
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: chemische technologie
Vakgroep Chemische proceskunde en technische chemie Voorzitter: prof. dr. ir. Guy Marin Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar 2008-2009 VOORWOORD
Deze masterproef was waarschijnlijk nooit uitgegroeid tot wat ze uiteindelijk is geworden zonder de hulp van een aantal mensen die ik hiervoor graag wil bedanken.
Allereerst wil ik mijn promotoren, prof. dr. ir. Guy Marin en prof. dr. Marie-Françoise Reyniers, bedanken omdat zij mij de mogelijkheid hebben gegeven dit project uit te werken. Ik zou hen ook willen bedanken voor de opvolging van mijn werk en de belangstelling voor het onderwerp.
Verder ben ik mijn begeleider, dr. ir. Kevin Van Geem, enorm dankbaar voor alle hulp en de grondige verbetering van mijn tekst. Zonder zijn kennis en inzet was ik niet in staat geweest om dit werk tot een goed einde te brengen.
Bovendien wil ik Steven Pyl bedanken voor het beantwoorden van mijn vele vragen en al zijn hulp. Mijn dank gaat ook uit naar het technisch personeel, en in het bijzonder Michael Lottin, om voor alle problemen met de installaties een oplossing te bedenken en ook steeds klaar te staan bij moeilijkheden.
Vervolgens wil ik al mijn medestudenten en iedereen van het LCT bedanken voor de leuke momenten tussen het werken door. In het bijzonder bedank ik Yuri, Michael, Wim en Sam voor de fijne momenten en ook om steeds een luisterend oor te zijn.
Tenslotte wil ik ook mijn ouders en mijn twee zussen bedanken voor al hun steun gedurende de voorbije jaren en de kans die ik kreeg om in Gent te studeren en te wonen.
Katrien Fret 1 juni 2009
FACULTEIT TOEGEPASTE WETENSCHAPPEN
Vakgroep Chemische Proceskunde & Technische Chemie Laboratorium voor Chemische Technologie Directeur: Prof. Dr. Ir. Guy B. Marin
Laboratorium voor Chemische Technologie
Verklaring in verband met de toegankelijkheid van de scriptie
Ondergetekende, Katrien Fret afgestudeerd aan de UGent in het academiejaar 2008-2009 en auteur van de scriptie met als titel: Modeling of Steam Cracking of Complex Hydrocarbon Mixtures verklaart hierbij: 1. dat hij/zij geopteerd heeft voor de hierna aangestipte mogelijkheid in verband met de consultatie van zijn/haar scriptie:
de scriptie mag steeds ter beschikking gesteld worden van elke aanvrager
de scriptie mag enkel ter beschikking gesteld worden met uitdrukkelijke, schriftelijke goedkeuring van de auteur
de scriptie mag ter beschikking gesteld worden van een aanvrager na een wachttijd van…………jaar
de scriptie mag nooit ter beschikking gesteld worden van een aanvrager
2. dat elke gebruiker te allen tijde gehouden is aan een correcte en volledige bronverwijzing Gent, 1 juni 2009
Krijgslaan 281 S5, B -9000 Gent (Belgium) tel. +32 (0)9 264 45 16 • fax +32 (0)9 264 49 99 • GSM +32 (0)475 83 91 11 e-mail: Petra.Vereecken@UGent http://www.lct.ugent.be/start/pages/1/en MODELING OF STEAM CRACKING OF COMPLEX
HYDROCARBON MIXTURES
Katrien Fret
Promotoren: prof. dr. Marie-Françoise Reyniers, prof. dr. ir. Guy Marin Begeleider: dr. ir. Kevin Van Geem
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: chemische technologie
Vakgroep Chemische proceskunde en technische chemie Voorzitter: prof. dr. ir. Guy Marin Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent
Academiejaar: 2008 – 2009
Abstract
Currently there is an increasing tendency to use heavy hydrocarbon feedstocks such as light gas oils, vacuum gas oils (VGO) and kerosenes as steam cracker feed. Another trend is the growing use of butane as feedstock. For the simulation of steam cracking of certain hydrocarbon fractions, including heavy fractions, a few shortcomings exist in the simulation model developed at the LCT i.e. COILSIM1D. One of them is the small or nearly non- existing experimental database, which is used to verify the simulation results. Another insufficiency is the lack of complete characterization of the heavy feedstock. The solution to this problem is the new GCxGC at the LCT, which has a ‘time of flight’ mass spectrometer (Tof MS) and a flame ionization detector (FID). This GCxGC makes it possible to analyze the feed and the cracker effluent qualitatively and quantitatively. An extension of the experimental database is obtained by a pilot plant study of the cracking behavior of two C4 fractions, a bio-derived naphtha and two heavy condensates (Chapter 3). Both quantitative and qualitative GCxGC analyses of a FT naphtha, a petroleum naphtha and a kerosene fraction are performed to provide a complete characterization of these complex feedstocks (Chapter 2). These results will make it possible to create more detailed and accurate fundamental simulation models for complex hydrocarbon fractions. Finally, simulations are performed with COILSIM1D (Chapter 4). The steam cracking process is simulated under different experimental conditions for pure naphtha, pure ethane and mixtures of naphtha and ethane. Based on the limited set of simulation results it seems that improvements to the reaction network for steam cracking are still possible.
Keywords: steam cracking, GCxGC, Fischer-Tropsch naphtha, kerosene, simulation Modeling of Steam Cracking of Complex Hydrocarbon Mixtures
Katrien Fret
Promoters: prof. dr. ir. G.B. Marin, prof. dr. M.F. Reyniers Coach: dr. ir. K.M. Van Geem
Abstract: Currently there is an increasing tendency to several shortcomings exist in the simulation model use heavy hydrocarbon feedstocks such as light gas oils, developed at the “Laboratory for Chemical vacuum gas oils (VGO) and kerosenes as steam cracker Technology” (LCT) of Ghent University i.e. feed. Another trend is the growing use of butane as COILSIM1D (Van Geem, 2006). One of them is the feedstock. However, the experimental database for these small or nearly non-existing experimental database, fractions is limited or non-existing, making the simulation model for modeling this process, which is used to verify the simulation results. Another COILSIM1D, less accurate than desired. Therefore the insufficiency is the lack of complete characterization experimental database, which is used to verify the of the heavy feedstock. The solution to this problem is simulation results, is extended with results obtained from the new GCxGC at the LCT, which has a ‘time of cracking two C4 fractions, a bio-derived naphtha and flight’ mass spectrometer (Tof MS) and a flame two heavy condensates. Quantitative and qualitative ionization detector (FID). This GCxGC makes it GCxGC analyses allowed to determine the detailed possible to analyze the feed and the cracker effluent composition of the FT naphtha, a petroleum naphtha and qualitatively and quantitatively. a kerosene fraction. Extension of this methodology to Both an extension of the experimental database and other fractions and even other processes will make it possible to create more detailed and accurate GCxGC analyses are obtained during this master fundamental simulation models for complex thesis. This will make it possible to create more hydrocarbon fractions. detailed and accurate fundamental simulation models for complex hydrocarbon fractions. Keywords: steam cracking, GCxGC, naphtha, kerosene, C4 fraction, gas condensate, simulation II. COMPREHENSIVE TWO -DIMENSIONAL GAS CHROMATOGRAPHY OF STEAM CRACKING FEEDSTOCKS I. INTRODUCTION GCxGC is a recently developed chromatographic Steam cracking of hydrocarbons is one of the most separation technique which is based on separations in important processes of the petrochemical industry. In two distinctly different columns that are placed after this process hydrocarbons are cracked into each other. The 1 st dimension separation is based on commercially more important products such as light volatility, the 2 nd on polarity. One advantage of the olefins and aromatics. Feedstocks ranging from light combination of two independent separation alkanes such as ethane and propane up to complex mechanisms is that ordered structures for structurally mixtures such as naphthas and heavy gas oils are related components show up in the GCxGC converted at temperatures ranging from 500 to 900 °C chromatograms, see Figure 1. A detailed group type in tubular reactors suspended in large gas-fired separation is now possible. Between the two columns furnaces. Globally, naphtha is the most commonly an interface, a cryogenic modulator, is present. Its applied feedstock in crackers. main role is to trap adjacent fractions of the analyte A recent trend is the growing use of butane as eluting from the first-dimension column by cryogenic feedstock caused by the application of ethanol as cooling, and heating-up these cold spots rapidly to transportation fuel. In order to meet gasoline vapor pressure specifications, low boiling hydrocarbon components, such as butanes and even pentanes, must be reduced in ethanol/gasoline blends. An alternative use for butane is for example as a steam cracker feed. Currently there is also an increasing tendency to use heavy hydrocarbon feedstocks such as light gas oils, vacuum gas oils (VGO) and kerosenes. Due to a decreasing demand of these heavy fractions as fuel, large amounts of these low cost fuels remain available. Therefore they become more and more interesting as alternative for naphtha. These fractions show however a different cracking behavior compared to the lighter fractions. For the simulation of steam cracking of certain hydrocarbon fractions, including heavy fractions, Figure 1: Group type separation for a kerosene fraction (GCxGC/Tof-MS chromatogram) III. PILOT PLANT EXPERIMEN TS An experimental study of the cracking behavior of aromatics two C4 fractions, a bio -derived naphtha and two heavy condensates was carried out on the pilot plant set -up for steam cracking of hydrocarbons at the LCT of Ghent University, see Figure 3. [2] The effect of the process conditions on the product (iso)paraffins+naphthenes yields was as expected. The ethylene yield increased with increasing COT, propylene showed a maximum, and the aromatic fractio n increased. An increased dilution led in general to higher light olefin selectivities, but decreased the selectivity of ethane, methane, and aromatics. Addition of DMDS to the FT naphtha had a detrimental effect on the amount of Figure 2: Group type separation for (iso)paraffins + coke deposited in the reac tor. naphthenes and aromatics present in naphtha feedstock (GCxGC/Tof-MS chromatogram) An alternative position for injection of the internal standard was also tested. Evaluation of the mass release them as refocused analyte pulses into the balances showed that stable results were obtained second-dimension column. [1] when nitrogen was added to the effluent after the First the GCxGC settings were tuned in order to coolers and fluctuations were observed when add ing give an optimal representation of both the FID and the internal standard before the coolers. From these Tof-MS chromatograms. A heating rate of 3°C/min in tests it seems that the optimal position for injection of combination with 5 seconds as modulation time seem the internal standard is after the coolers. A second to be the optimal settings. method for verifying the balances would certainly be a Detailed GCxGC analyses of a Fischer -Tropsch valuable addition to the set -up. naphtha, a petroleum naphtha and a kerosene fraction were performed, both qualitative as quantitative. For each of the studied fractions a detailed PIONA was obtained and c ompared to results from 1D gas chromatography. For the naphtha fractions only small differences were observed and these are mainly due to peak overlap between (iso)paraffins, naphthenes and aromatics. This peak overlap does not occur in GCxGC chromatograms since the components that overlap in 1D GC are further separated in the 2 nd column based on differences in polarity. Greater differences between 1D and 2D results were Figure 4: Parity plot for ethylene and propylene encountered for the kerosene fraction. This is not surprising since this heavier fracti on contains more IV. SIMULATIONS WITH COILSIM1D AND SIM CO aromatics which renders more possibilities for peak Finally, simulations were performed with overlap with (iso)paraffins and naphthenes , compare COILSIM1D. The steam cracking process was Figure 1 and Figure 2. simulated under different experimental conditions for GCxGC is thus preferred over 1D GC to obtain pure naphtha, pure ethane and mixtures of naphtha and accurate molecular feedstock compositions, especially ethane. In general the simulation results are in for heavier fractions like kerosenes . GCxGC can reasonable agreement with the experimental yields, further be used to obtain a more complete see Figure 4, but based on the limited set of simulation characterization of also gas condensates and other results it seems that improvements to the reaction heavier fractions. An adjusted temperature program network for steam cracking are still possible. The and the combination of FID and Tof -MS make agreement between the simulated and experimental GCxGC also suitable for providing accurate and more yields for the light olefins propylene and acetylene detai led analyses of the cracker effluent. needs first a ttention. Also the simulation results obtained for the aromatics benzene and toluene need improvement. An evaluation with a wider dataset, also looking at minor products is necessary. The data obtained with the Fischer -Tropsch naphtha seem very suited for this purpose.
REFERENCES [1] Adahchour M., Beens J. et al., Recent development in comprehensive two -dimensional gas chromatography. Trends in Analytical Chemistry, 2006, Vol. 25 , 5, 438-454. Figure 3: Schematic overview of the pilot plant set -up for [2] Wang J., Re yniers M.F., Marin G.B., Influence of dimethyl disulfide on coke formation during steam cracking of steam cracking hydrocarbons. Ind. Eng. Chem. Res., 46, 4134 -4148, 2007. TABLE OF CONTENTS
Samenvatting ...... i
1. Inleiding ...... i
1. GCxGC van stoomkraker voedingen ...... ii
1.1. Een nieuwe analytische methode ...... ii
1.2. GCxGC analyses en optimale instellingen ...... iii
1.3. Toepassingen van GCxGC ...... v
2. Experimenten pilootinstallatie ...... vi
2.1. Beschrijving opstelling ...... vi
2.2. Testen positie inwendige standaard ...... viii
2.3. Pilootcampagne ...... viii
3. Simulaties met COILSIM1D en SimCo ...... x
4. Conclusies en toekomstig werk ...... xi
1. INTRODUCTION ...... 1
2. COMPREHENSIVE TWO -DIMENSIONAL GAS CHROMATOGRAPHY OF STEAM CRACKING
FEEDSTOCKS ...... 7
2.1. A new analytical method ...... 7
2.2. GCxGC analyses & optimal settings ...... 10
2.2.1. Qualitative analysis ...... 10
2.2.2. Quantitative analysis ...... 16 2.2.3. Tuning of FID and Tof-MS GCxGC ...... 19
2.2.4. Influence of the GCxGC settings ...... 23
2.3. GCxGC applications ...... 27
2.3.1. Complex feedstock characterization ...... 27
2.3.2. Pilot effluent analysis ...... 41
2.4. Conclusions ...... 43
3. PILOT PLANT EXPERIMENTS ...... 45
3.1. Description of the pilot plant unit for steam cracking of hydrocarbons ...... 45
3.1.1. Feed section ...... 45
3.1.2. Reaction section ...... 47
3.1.3. Analysis section ...... 50
3.2. Testing the internal standard injection position ...... 53
3.2.1. Operating conditions ...... 54
3.2.2. Experimental results ...... 54
3.2.3. Conclusions ...... 57
3.3. Pilot plant campaign ...... 58
3.3.1. Experimental program ...... 58
3.3.2. Operating conditions and analysis procedures ...... 60
3.3.3. Cracking of C4 fractions ...... 72
3.3.4. Cracking of Fischer-Tropsch naphtha ...... 77
3.3.5. Coke formation during cracking of heavy condensates ...... 91
3.3.6. Conclusions ...... 96
4. SIMULATIONS WITH COILSIM1D AND SIM CO ...... 99
4.1. COILSIM1D ...... 99 4.1.1. Reactor simulation ...... 99
4.2. SimCo ...... 101
4.3. Co-cracking of ethane with naphtha ...... 104
4.3.1. Feedstock specification ...... 104
4.3.2. Experimental conditions...... 106
4.3.3. Results and discussion ...... 107
4.4. Conclusions ...... 116
5. CONCLUSIONS AND FUTURE WORK ...... 118
Annex A ...... I
Annex B ...... XV
Annex C ...... LIV
Annex D ...... LXVI
Annex E ...... LXXII
LIST OF SYMBOLS AND ABBREVIATIONS
Roman symbols A Peak surface area 0.1 V s C Carbon - COP Coil Outlet Pressure bar abs COT Coil Outlet Temperature °C F Flow rate kg s -1 H Hydrogen - M Mass kg m Mass kg MW Molecular Weight g/mol N Number of theoretical plates - P Pressure bar abs P/E Propylene/Ethylene - t Time s t0 Dead time s T Temperature °C TBP True Boiling Point °C z Charge -
Greek symbols δ Dilution kg/kg Σ Sum -
Subscripts i Component HC Hydrocarbon
Abbreviations ARO Aromatics ASTM American Society for Testing and Materials BTL Biomass to liquids CF Calibration Factor CMAI Chemical Market Associates, Inc. CPD Cyclopropadiene CTL Coal to liquids DMDS Dimethyl disulfide FID Flame Ionization Detector FT Fischer-Tropsch GC Gas Chromatography GCxGC Comprehensive two-dimensional gas chromatography GTL Gas to liquids GUI Graphical user interface HPLC High performance liquid chromatography iPar Iso-paraffins IR Infrared IS Internal Standard KRI Kovats retention indices LCT Laboratory for Chemical Technology LPG Liquefied Petroleum Gas MS Mass Spectrometry NAP Naphthenes NMR Nuclear magnetic resonance NPG Natural Petroleum Gas nPar normal-paraffins PIONA Paraffins, Iso-paraffins, Olefins, Naphthenes and Aromatics PIONA m Mono-naphthenes PIONA d Di-naphthenes PIONA a Naphtheno-aromatics PIONA o Olefin-naphthenes PIONA b Alkylbenzenes PIONA n Naphthalenes PIONA i Indenes RF Response factor RT 1D Retention time first dimension RT 2D Retention time second dimension SA Sample Amount SEMK Single Event Micro kinetic Model SPK Synthetic paraffinic kerosene TCD Thermal conductivity detector TIC Total ion current TLE Transfer Line Exchanger TOF-MS Time-Of-Flight Mass Spectrometer ULSD Ultra-low-sulfur diesel VGO Vacuum Gas Oil XF Dilution factor
Samenvatting i
SAMENVATTING
1. Inleiding
Stoomkraken van koolwaterstoffen is één van de belangrijkste processen in de petrochemische industrie. De koolwaterstofvoeding wordt bij hoge temperatuur (500 tot 900°C) onder toevoeging van stoom gekraakt tot voornamelijk kleinere moleculen. Dit proces gebeurt in een tubulaire reactor die in een oven wordt verhit met branders. De commercieel interessante producten die zo worden gevormd zijn lichte olefines zoals ethyleen en propyleen, maar ook aromaten en zwaardere bijproducten. Olefines en aromaten zijn onmisbare componenten voor de chemische industrie omdat ze de bouwstenen zijn voor allerhande producten die we gebruiken in het dagelijkse leven. De gebruikte voedingen gaan van lichte alkanen zoals ethaan en propaan tot complexe koolwaterstofmengsels zoals nafta en gasolie. Klassiek wordt vooral gebruik gemaakt van ethaan of nafta.
Een recente trend die wordt waargenomen is het stijgende gebruik van C4 fracties als voeding. Dit is een gevolg van de toepassing van ethanol als transport brandstof. Een nadeel aan het gebruik van ethanol als benzine additief is de hoge Reid dampspanning. Om aan de benzine specificaties betreffende de dampspanning te kunnen voldoen, moet het aandeel aan laagkokende koolwaterstof componenten zoals butanen en zelfs pentanen sterk gereduceerd worden. Daarom gaan ondernemingen op zoek naar een alternatief gebruik van butaan, bijvoorbeeld als stoomkraker voeding. [1] Eén van de voordelen van het gebruik van butaan als voeding is de grote hoeveelheid propyleen die wordt geproduceerd in vergelijking met bijvoorbeeld het kraken van nafta. In Europa heeft propyleen de positie van ethyleen als meest gevraagde en waardevolste product overgenomen. In Hoofdstuk 3 wordt het kraakgedrag van twee C4 fracties bestudeerd.
Naast de trend van een stijgend gebruik van butaan als voeding, is er ook een trend om steeds zwaardere voedingen te kraken (kerosine, lichte gasolie of vacuüm gasolie) die echter aanleiding geven tot een lagere opbrengst aan lichtere olefines. De reden voor het gebruik van deze zwaardere voedingen is hun overschot op de markt doordat ze steeds minder gebruikt Samenvatting ii worden als brandstof. Zwaardere voedingen zoals gasolies en vacuüm gasolies (VGO) kraken makkelijker dan lichte koolwaterstoffen maar veroorzaken meer cokesvorming. Dit verschil in kraakgedrag is klaarblijkelijk te wijten aan de typische verschillen in chemische samenstelling. Zware fracties bevatten bijvoorbeeld meer di-, tri- en poly-aromatische componenten die niet aanwezig zijn in de lichtere fracties. [2]
Vanuit het standpunt van modellering, is het een enorme uitdaging het kraakgedrag van deze zware fracties nauwkeurig te beschrijven. De meest geavanceerde modellen zijn niet alleen geschikt voor het modelleren van het stoomkraken van lichte voedingen maar ook van het kraakgedrag van zwaardere voedingen. In het Laboratorium voor Chemische Technologie is zo een fundamenteel simulatie model ontwikkeld, namelijk COILSIM1D [4], dat het stoomkraken van koolwaterstofmengsels reikend tot de gascondensaten accuraat beschrijft. Voor sommige fracties kunnen de simulatieresultaten echter nog verbeterd worden, bijvoorbeeld voor C4 fracties die een grote hoeveelheid olefines bevatten en nafta’s waarin veel aromaten aanwezig zijn. Voor de modellering van het stoomkraken van zwaardere fracties bestaan er ook enkele tekortkomingen. Eén daarvan is de kleine of nagenoeg onbestaande experimentele database die wordt gebruikt om de simulatieresultaten te verifiëren. Een tweede gebrek is een volledige karakterisering van de zware voeding. Een oplossing voor dit probleem is de nieuwe GCxGC die zowel een ‘time of flight’ massa spectrometer (Tof MS) als een vlamionisatiedetector (FID) bevat. Deze GCxGC maakt het mogelijk om voedingen en kraakeffluenten zowel kwalitatief als kwantitatief te analyseren. Zowel een uitgebreide experimentele database als GCxGC analyses zullen het mogelijk maken om meer gedetailleerde en accurate fundamentele simulatiemodellen voor zware koolwaterstoffracties te ontwikkelen. In Hoofdstuk 2 worden de GCxGC analyses uitvoerig besproken. Hoofdstuk 3 beschrijft de experimenten die op de pilootinstallatie voor stoomkraken worden uitgevoerd ter uitbreiding van de database. Zwaardere fracties, C4 fracties en een nafta gemaakt uit biomassa worden gebruikt als voeding. In Hoofdstuk 4 worden de simulaties met COILSIM1D behandeld.
1. GCxGC van stoomkraker voedingen
1.1. Een nieuwe analytische methode
GCxGC is een recent ontwikkelde chromatografische analysetechniek gebaseerd op scheiding in twee dimensies. Er wordt gebruik gemaakt van twee kolommen die na elkaar de voeding scheiden. De scheiding in de eerste dimensie verloopt op basis van vluchtigheid terwijl de Samenvatting iii scheiding in de tweede dimensie gebaseerd is op verschillen in polariteit. Figuur 1 toont een typische GCxGC opstelling en verklaart de werking van de cryogene modulator die zich tussen de twee kolommen bevindt.
Figuur 1: Typische GCxGC opstelling (links) en werking cryogene modulator (rechts) (S1) rechter jet vangt het eluent van de 1 e kolom op door cryogene koeling; (S2) het koude deel warmt op, wordt in de 2 e kolom vrijgelaten en linker jet begint te koelen; (S3) start volgende modulatiecyclus [3]
Doordat de scheidingen in de twee kolommen gebaseerd zijn op twee statistisch onafhankelijke mechanismen (zogenaamd orthogonale scheidingen) worden geordende structuren voor structuurgerelateerde componenten waargenomen in de chromatogrammen. Een gedetailleerde scheiding op basis van groep type is nu mogelijk, zie Figuur 2.
1.2. GCxGC analyses en optimale instellingen
Kwalitatieve analyses worden uitgevoerd met behulp van de ‘time of flight’ massaspectrometer waarmee de GCxGC is uitgerust. Interpretatie van de individuele massaspectra gecombineerd met opzoekwerk in de bibliotheek van de XCalibur software laat identificatie van de pieken in het chromatogram toe. De Kovats retentie-indices vormen een controle aangezien zij de correcte volgorde weergeven waarin de componenten elueren uit de kolom. De vlamionisatiedetector wordt gebruikt voor kwantitatieve analyses waarbij de piekoppervlakken evenredig zijn met de massafracties. Er wordt hierbij gecorrigeerd met een calibratiefactor die afhangt van de component.
De GCxGC-FID en GCxGC-Tof-MS instellingen werden geoptimaliseerd en op elkaar afgestemd zodat de verkregen chromatogrammen hetzelfde voorkomen hebben. Op deze Samenvatting iv manier is de interpretatie minder omslachtig. De optimalisatie is gebaseerd op een maximalisatie van het theoretisch aantal platen als functie van de inlaatdruk. Het afstemmen van beide detectoren op elkaar gebeurt door dezelfde waarde voor de gemiddelde lineaire snelheid in de eerste kolom te beschouwen.
naphthalenes
naphtheno-aromatics
alkylbenzenes
di-naphthenes mono-naphthenes
(iso)paraffines
Figuur 2: Groep type scheiding voor een kerosine fractie (GCxGC/Tof-MS chromatogram)
De optimale opwarmsnelheid wordt gevonden door 10 te delen door de dode tijd (de tijd dat het duurt vooraleer een niet-interagerende component elueert), zie Tabel 1. De optimale modulatietijd wordt gekozen zodat naftaleen (die meestal de component met de grootste 2D retentietijd vormt) net geen ‘wrap around’ vertoont bij de optimale opwarmsnelheid en dus niet in een latere modulatie optreedt dan diegene waarin hij werd geïnjecteerd.
Tabel 1: Optimale GCxGC instellingen Temperatuur programma Modulatie Effluent analyse Tinitiee l = -40°C 4 min vast modulatie tijd 5 seconden snelheid = 5°C/min uitstel bij effluent analyse 20 minuten T = 40°C 0 min vast snelheid = 3°C/min Tfina al = 300°C 0 min vast Voeding analyse Helium debiet Tiniti ee l = 30°C 0 min vast snelheid = 3°C/min FID 1.2 ml/min Tfina al = 300°C variërend Tof-MS 8 ml/min Samenvatting v
De opwarmsnelheid en de modulatietijd zijn sterk gekoppeld en hebben een significante invloed op de verkregen chromatogrammen. Bij grotere opwarmsnelheden verlopen de scheidingen in de tweede dimensie bij hogere temperaturen en daardoor worden ze sneller uitgevoerd. De componenten elueren hierdoor bij kleinere 2D retentietijden en bijgevolg wordt een kleinere modulatietijd verkozen waarbij meer modulaties per 1D piek mogelijk worden ten gunste van de scheiding. Kleinere opwarmsnelheden hebben dan weer als voordeel dat de scheiding in de eerste dimensie verbetert. De scheidingen in de tweede kolom gaan hierdoor wel trager verlopen (want bij lagere temperatuur) waardoor de pieken uitrekken in de tweede dimensie en componenten elueren bij grotere 2D retentietijden. Aangezien ‘wrap around’ moet vermeden worden, wordt een grotere modulatietijd verkozen waardoor echter minder modulaties per 1D piek mogelijk zijn.
1.3. Toepassingen van GCxGC
De GCxGC opstelling in het LCT wordt gebruikt voor gedetailleerde karakterisering van complexe stoomkraker voedingen gecombineerd met gedetailleerde effluent analyses. Een gedetailleerde voedingssamenstelling werd bepaald voor een Fischer-Tropsch nafta, een petroleum nafta en een kerosine fractie. Voor verscheidene gascondensaten werden FID chromatogrammen opgenomen. Kwantitatieve resultaten werden verkregen met de vlamionisatiedetector, kwalitatieve met de ‘time of flight’ massaspectrometer. Voor elk van de fracties werd een gedetailleerde PIONA opgesteld en vergeleken met PIONA resultaten verkregen via eendimensionale gaschromatografie. Bij vergelijking van de resultaten voor de nafta’s worden eerder kleine verschillen waargenomen. De verschillen zijn voornamelijk een gevolg van piekoverlap tussen (iso)paraffines en naftenen of aromaten doordat ze bij nagenoeg dezelfde 1D retentietijd elueren. Dit treedt enkel op in het eendimensionale chromatogram aangezien er bij GCxGC een verdere scheiding van die overlappende componenten op basis van polariteit wordt uitgevoerd in de 2e kolom. De moleculaire samenstelling verkregen via GCxGC is daarom accurater. Voor de kerosine fractie worden grotere verschillen tussen 1D en 2D samenstellingen waargenomen. Dit is niet verwonderlijk aangezien het kerosine veel meer aromaten bevat dan de nafta fracties, zie Figuur 3 en Figuur 2, waardoor er meer mogelijkheden bestaan voor piekoverlap met (iso)paraffines en naftenen. GCxGC wordt dan ook verkozen boven 1D GC om accurate moleculaire samenstellingen te verkrijgen.
Samenvatting vi
Figuur 3: GCxGC/Tof-MS chromatogram petroleum nafta – 2D weergave (rechts) en 3D (links)
2. Experimenten pilootinstallatie
Voor het experimenteel onderzoek werd gebruik gemaakt van de pilootopstelling voor stoomkraken van koolwaterstoffen aan het LCT.
2.1. Beschrijving opstelling
De voedingssectie zorgt voor de aanvoer van koolwaterstoffen naar de inlaat van de reactor. Het massadebiet van de voeding wordt gemeten in plaats van het volumedebiet om onnauwkeurigheden verbonden met de temperatuurs- en drukafhankelijkheid van het volume te vermijden. Voor het voeden van C4 fracties is het LCT uitgerust met een nieuwe batterij voor flessen waarbij helium wordt gebruikt om druk te zetten op de flessen zodat er een debiet wordt verzekerd. De massadebietmeter is niet langer gebaseerd op het meten van de thermische conductiviteit maar maakt nu gebruik van een coriolis type massadebiet sensor, een Cori-Flow. Zowel vloeibare gassen, vloeistoffen als gassen kunnen gevoed worden. Stoom wordt toegevoegd aan de reactor zodat de partieeldruk van de koolwaterstoffen daalt. Hierdoor wordt de vorming van ethyleen en propyleen bevorderd en de cokesvorming onderdrukt.
De oven is opgedeeld in zeven secties welke elk afzonderlijk kunnen ingesteld worden om op die manier om het even welk temperatuursprofiel te kunnen verkrijgen (zie Figuur 4). Twintig thermokoppels en vijf manometers langsheen de reactorbuis meten temperatuur en druk van het reactiegas. De reactiesectie van de buis is ongeveer 12 m lang en heeft een inwendige diameter van 9 mm. Op deze manier wordt bij aanvaardbare debieten een turbulente stroming verkregen. Aan de reactor uitlaat wordt stikstof geïnjecteerd dat dienst doet als inwendige standaard en eveneens zorgt voor een eerste koeling van het effluent. Nog voor de koeling van Samenvatting vii
+ het effluent in de TLE plaatsvindt, wordt een staal genomen voor on-line analyse van de C 5 componenten. De druk aan het einde van de reactor wordt geregeld aan de hand van een regelklep. Een deel van het effluent wordt naar de analysesectie gestuurd terwijl de rest onmiddellijk naar de flare gaat. De concentratie aan CO en CO 2 in het effluent wordt via een IR-meter continu geregistreerd. Decoken gebeurt door een stoom/lucht mengsel door de reactor te sturen bij temperaturen van 800-900°C.
Figuur 4: Schematische voorstelling van de reactie en koelsectie van de pilootopstelling voor stoomkraken
- De C 2 componenten worden simultaan geanalyseerd op twee gaschromatografen (GC). Enkel waterstof wordt geen twee maal gedetecteerd. Het gebruik van twee verschillende toestellen voor dezelfde analyse verhoogt de betrouwbaarheid van de resultaten. De eerste GC geeft de componenten van C 1 tot C 4 weer terwijl de tweede stikstof, koolstofmonoxide, koolstofdioxide en koolwaterstoffen tot C 2 waarneemt. Voor de analyse van alle koolwaterstoffen boven C 4 worden twee GC’s afwisselend gebruikt, waaronder de GCxGC. Een aangepast temperatuursprogramma en combinatie van FID en Tof-MS zorgen ervoor dat met GCxGC meer accurate en gedetailleerde effluent analyses kunnen uitgevoerd worden. Piekidentificatie en –integratie gebeurt via aangepaste software (ChromCard en HyperChrom) en de berekeningen zijn gebaseerd op de absolute debieten van de verschillende componenten Samenvatting viii in het effluent. Dit is mogelijk door de injectie van de precies gekende stikstofstroom aan de uitlaat van de reactor.
2.2. Testen positie inwendige standaard
Een alternatieve inlaatpositie voor de inwendige standaard werd getest omdat significante fluctuaties in de massabalansen werden waargenomen wanneer onder constante condities werd gekraakt. Dit lijkt een gevolg te zijn van fluctuaties in de uitlaatdruk die onstabiele stikstof toevoeging met zich meebrengen. Een andere oorzaak kan de aanwezigheid van zekere dode volumes in het effluent analyse gedeelte zijn. Voor deze testen werd n-hexaan gekraakt bij standaard procescondities. Tijdens de eerste test werd N 2 na de reactor toegevoegd voor de koelers en tijdens de tweede test na de koelers. Uit de effluentanalyses volgt dat onstabiele massabalansen worden verkregen wanneer stikstof voor de koelers wordt toegevoegd en dat de massabalansen veel stabieler zijn bij toevoeging van stikstof na de koelers. De optimale positie voor injectie van de inwendige standaard is bijgevolg na de koelers.
2.3. Pilootcampagne
Op de pilootinstallatie voor stoomkraken werden 4 verschillende voedingen gekraakt: twee C4 fracties (ARAL en PETRO), een nafta vervaardigd via het Fischer-Tropsch proces en twee zware condensaten (700A en 700B). Voor de C4 fracties en de FT nafta werden de procescondities (COT en dilutie) gevarieerd om de invloed ervan op de productendistributie na te gaan. Bij de gascondensaten werd vooral gekeken naar de cokesvorming in de reactor en de TLE afzonderlijk. Aan de FT nafta werd tenslotte 100ppm DMDS (dimethyldisulfide) toegevoegd om ook hiervan de invloed op de productenopbrengst en cokesvorming te testen.
De experimenten werden uitgevoerd bij verschillende COT (reactor uitlaat temperatuur) waarden en bevestigen de algemeen gekende trends voor de productdistributie. Bij stijgende COT nemen de opbrengsten van methaan, ethyleen, benzeen en naftaleen toe terwijl de propyleenopbrengst een maximum bereikt en de opbrengst van n-butaan daalt (zie Figuur 5). De invloed van de dilutie werd getest tijdens het kraken van de Fischer-Tropsch nafta. Bij hogere dilutie stijgt de selectiviteit voor de lichte olefines ethyleen en propyleen terwijl de selectiviteit voor zwaardere producten zoals benzeen, tolueen en naftaleen daalt, zie Figuur 6 en Figuur 7. De opbrengsten aan methaan en ethaan dalen eveneens.
Samenvatting ix
Effect van COT op productopbrengst 25
20 ethylene 15 propylene
10 benzene
n-butane 5 opbrengst (wt%) opbrengst naphthalene 0
-5 810 820 830 840 850 860 870 880 890 COT (°C)
Figuur 5: Effect van COT op productopbrengst bij het kraken van de C4 fractie ARAL
Effect van dilutie op productopbrengst 40 35 30 25 ethylene 20 propylene 15 methane ethane
opbrengst (wt%) opbrengst 10 5 0 -5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 dilutie (kg/kg)
Figuur 6: Effect van dilutie op productopbrengst bij het kraken van FT nafta
Effect van dilutie op productopbrengst 7 6 5 4 benzene 3 toluene 2 naphthalene
opbrengst (wt%) opbrengst 1 0 -1 -2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 dilutie (kg/kg)
Figuur 7: Effect van dilutie op productopbrengst bij het kraken van FT nafta Samenvatting x
Toevoeging van DMDS aan de FT nafta had weinig of geen effect op de waargenomen productopbrengsten. Enig verschil werd waargenomen bij de CO en CO 2 opbrengst namelijk een lagere waarde bij toevoeging van DMDS. Dit is in overeenstemming met wat verwacht wordt aangezien DMDS over het algemeen wordt toegevoegd om de CO en CO 2 productie tijdens stoomkraken te beperken.
Tabel 2: Hoeveelheid cokes gevormd in de reactor en de TLE tijdens 6 uren kraken van de voedingen: FT nafta, FT nafta + 100ppm DMDS, gascondensaat 700B en 700A
Voeding gevormde cokes (g/6hr)
Reactor TLE FT nafta 3.4621 - FT nafta + 100ppm DMDS 6.9682 - Gascondensaat 700B 259.7981 2.4170 Gascondensaat 700A 2.4985 3.4613
Betreffende de cokesvorming in de reactor, zie Tabel 2, heeft de toevoeging van DMDS een nadelig effect. Meer dan een verdubbeling van de gevormde hoeveelheid cokes werd waargenomen. Gascondensaat 700B produceerde een uitzonderlijk grote hoeveelheid cokes.
3. Simulaties met COILSIM1D en SimCo
Simulaties werden uitgevoerd met COILSIM1D en SimCo. COILSIM1D is een single event microkinetisch model (SEMK) dat in staat is het stoomkrakingsproces te simuleren. [4] Voor de reconstructie van de moleculaire samenstelling van de voedingen op basis van commerciële indices of een gedetailleerde PIONA werd de software module SimCo gebruikt. Deze module combineert naast het gebruik van een gedetailleerde PIONA twee reconstructie methoden. De belangrijkste methode is die waarbij de Shannon entropie wordt geoptimaliseerd. Wanneer de moleculaire samenstelling van een nafta gereconstrueerd moet worden, kan het programma ook het beschikbare neurale netwerk gebruiken. [5]
De drie voorgaande methoden werden gebruikt bij het simuleren van het stoomkraken van mengsels van nafta en ethaan, zuivere nafta en zuiver ethaan. Verschillende experimentele condities werden hierbij gesimuleerd. De gesimuleerde productopbrengsten werden vergeleken met experimenteel verkregen resultaten. Hieruit blijkt dat de simulatieresultaten redelijk goed overeenstemmen met de experimentele opbrengsten, zie Figuur 8, maar Samenvatting xi verbetering is mogelijk. Aandacht moet nog verder uitgaan naar de simulatieresultaten voor acetyleen, propyleen, benzeen en tolueen. Verdere evaluatie met een uitgebreidere dataset is hiervoor nodig.
60
50
40
30
20 ethylene propylene gesimuleerde opbrengst(wt%) gesimuleerde 10
0 0 10 20 30 40 50 60 experimentele opbrengst (wt%)
Figuur 8: Pariteitdiagram voor ethyleen en propyleen
4. Conclusies en toekomstig werk
Tijdens deze masterproef werd de experimentele database van stoomkraken uitgebreid en werden er GCxGC analyses van stoomkrakervoedingen en krakereffluent uitgevoerd. Dit samen maakt het mogelijk om meer gedetailleerde en accurate fundamentele simulatiemodellen voor complexe koolwaterstoffracties te ontwikkelen.
Een gedetailleerde samenstelling, zowel kwalitatief als kwantitatief, van een Fischer-Tropsch nafta, een petroleum nafta en een kerosine werden bepaald met de GCxGC. Vergelijking met 1D GC resultaten toonde aan dat GCxGC te verkiezen is om voedingen accuraat te karakteriseren, vooral voor zwaardere fracties zoals kerosines. GCxGC kan verder gebruikt worden om accurate samenstellingen van ook gascondensaten en andere zware fracties te bepalen.
Op de pilootinstallatie werd het kraakgedrag van twee C4 fracties, een FT nafta en twee gascondensaten bestudeerd. De invloed van de procescondities werd uitgebreid bestudeerd. De test met een alternatieve positie voor injectie van de inwendige standaard toonde aan dat injectie na de koelers stabielere resultaten geeft. Een tweede methode voor het testen van de balansen zou zeker een toegevoegde waarde voor de opstelling vormen. Samenvatting xii
Gebaseerd op de beperkte set van verkregen simulatieresultaten lijken er nog verbeteringen aan het reactienetwerk voor stoomkraken mogelijk te zijn. Aandacht moet nog verder uitgaan naar de simulatieresultaten voor acetyleen, propyleen, benzeen en tolueen. Verdere evaluatie met een uitgebreidere dataset is nodig. De resultaten verkregen met de Fischer-Tropsch nafta zien er zeer geschikt uit om hiervoor te gebruiken.
References
[1] Commission on Engineering and Technical Systems (CETS). Review of the Research Strategy for Biomass-Derived Transportation Fuels . 1999.
[2] Van Geem K. M., Reyniers M.-F., Marin G. B. Challenges of Modeling Steam Cracking of Heavy Feedstocks. Oil & Gas Journal Rev. IFP. 2008.
[3] Adahchour M., Beens J., Vreuls R.J.J., Brinkman U.A.Th. Recent developments in comprehensive two-dimensional gas chromatography (GCxGC) I. Introduction and instrumental set-up. Trends in Analytical Chemistry. 2006, Vol. 25, 5, pp. 438-454.
[4] Van Geem K. COILSIM1D Simulation of Steam Cracking Coils - manual. 2006.
[5] Pyl S., Celie I., Van Hecke K., Van Geem K. SimCo manual. 2008.
1. Introduction 1
1. INTRODUCTION
Steam cracking of hydrocarbons is one of the most important processes in the petrochemical industry. The hydrocarbon feedstock is mixed with steam and cracked into mostly smaller molecules in a fired tubular reactor at temperatures ranging from 500 to 900 °C. Commonly used feedstocks range from light alkanes, like ethane or propane (Middle East and USA), to more complex mixtures, such as naphthas (Western Europe) or gas oils, see Table 1.1.
Table 1.1: Raw materials for ethylene production (% of total ethylene produced) (2007) [1]
USA W. Europe Japan Middle East World
LPG, NPG, refinery gas 1 76 16 2 100 44
Naphtha 18 72 98 - 48
Gas oil 6 12 - - 8
In the USA, LPG feeds (ethane, propane and n-butane) accounted for 69% of the total feed in the fourth quarter of 2007. Ethane’s share comprised 49.5%. This high ethane share was the result of economic benefits (lower ethylene production costs due to lower variable production costs) to use ethane as feed instead of propane or n-butane. The average ethylene production costs ranged from 730-748 €/ton, when propane or natural gasoline were used as feed, to only 681 €/ton, when pure ethane was used. [2]
A recent trend is the growing use of butane as feedstock. The latter is caused by the application of ethanol as a transportation fuel. Manufacturers of ethanol-gasoline blends must take into account the dissimilar nature of alcohol and the hydrocarbons in which it is blended. One of the disadvantages of using ethanol as a gasoline blend agent is its high Reid vapor pressure. The Reid vapor pressure for ethanol-gasoline blends is about 18 psi for a 10 percent ethanol content. In order to meet gasoline vapor pressure specifications, low boiling
1 LPG: liquefied petroleum gas, NPG: natural petroleum gas 1. Introduction 2 hydrocarbon components, such as butanes and even pentanes, must be reduced. The removal of these low boiling hydrocarbons is expensive because gasoline is their highest value use. A lower gasoline vapor pressure reduces evaporative emissions during tank filling and fuel storage. Because of these environmental benefits, the summer vapor pressure specification for gasoline has been and will continue to be lowered over time. For a vapor pressure specification of less than about 7.6 psi, there is no room for butane in a 10 percent ethanol- gasoline blend. This is the reason why companies are looking for an alternative use for butane, for example as a steam cracker feed. [3] One of the advantages of using n-butane as feed is the high amount of propylene produced compared to the amount when for example naphtha is used. Propylene has overtaken ethylene as the desired and most valuable product in Europe.
The reactor effluent from a steam cracker contains next to light alkenes such as ethylene, propylene also butadiene and aromatics such as benzene toluene and xylenes. These products are highly valuable for the chemical industry, since they form the building blocks for a variety of derivates used in our daily life. The global ethylene capacity measured 117.6 million tpy as of Jan. 2007, in which the Belgian share made up 1.85%, or 2.18 million tpy. The CMAI (Chemical Market Associates, Inc.) predicts an ethylene capacity increase to a total of 156 million tpy by the year 2011. Figure 1.1 shows the trends in global ethylene operating rate, capacity and demand for the years 2000-2011 (estimate for 2007-2011 and neglecting the current economic crisis). The global operating rates fell in 2006 from a high of about 93% in 2004, because there was surplus global capacity. This is however still a significant rise from the operating levels in 2001-2003, when the rates were less than 90% due to a stagnant growth of the demand. The high rates in 2004 are the consequence of the incremental demand surpassing the capacity increase. Because the capacity will increase significantly in 2007- 2011 when the announced projects go online, the global operating rates should decrease. Most future growth in ethylene capacity will occur in the Middle East due to feedstock advantages. North America and Western Europe will experience a more uniform capacity growth. [4]
The two most urgent issues now facing the global petrochemical industry are the impacts of the recent financial/economic crisis and the large build-up of new chemical capacity over the next few years. The recent financial/economic crisis has already reduced the availability of debt-financing for new projects and refinancing of existing projects. Since almost all of the projects planned for commissioning in the next 2-3 years are already fully financed and under construction, this will not likely slow the onslaught of new capacity but will slow the 1. Introduction 3
Figure 1.1: Global ethylene operating rate, capacity and demand [4] neglecting the current economic crisis
development of new projects scheduled after 2011. The economic crisis is also negatively impacting end-use consumer demand in the Western economies of the USA and Europe. As a result, the Eastern economies of Asia are also seeing reduced demand growth since most of these economies are dependent on exports to the Western economies. In 2008 and 2009 the ethylene demand growth is slowed in most areas of the world. High energy prices and slow ethylene demand growth in North America and Europe are expected to limit future investments in new capacity in these regions. North America and Europe will concentrate on projects that focus on energy efficiency and feedstock flexibility. Over the next few years, it is likely that some capacity will be shut down in these regions as well as in parts of Asia as other lower cost capacity is brought on-line. Global ethylene capacity additions are forecast to outpace global demand growth over the next few years. The surplus capacity that is expected to develop will depress global steam cracker utilization rates. [5]
Currently there is a trend towards using heavier fractions as cracking feeds, such as light gas oils, vacuum gas oils (VGO) and kerosenes. Due to a decreasing demand of these heavy fractions as fuel, large amounts of these low cost fuels remain available. Because of their low cost, heavy fractions become a viable alternative for naphtha as a steam cracker feed, although these fractions show a different cracking behavior compared to the lighter fractions. They produce a larger amount of coke and so fouling in the TLE and the cracking tube 1. Introduction 4 becomes a bigger thread. Table 1.2 shows the different fractions, with their respective boiling point range and the number of carbon atoms, that are obtained from fractional distillation of petroleum. Kerosene is the lightest of the heavier fractions, with the number of carbon atoms of the paraffinic compounds typically ranging from 10 to 14 and a typical boiling point ranging from 150 to 300°C.
Table 1.2: Petroleum distillation fractions [6]
Petroleum fraction Boiling point range (°C) Number of carbon atoms
Fuel gas -90 – 1 C2 – C4
Gasoline -1 – 200 C4 – C10
Naphtha -1 – 205 C4 – C11
Kerosene 150 – 300 C10 – C14
Diesel fuel 205 – 290 C11 – C16
Light gas oil 255 – 315 C14 – C18
Heavy gas oil 315 – 425 C18 – C28
Vacuum gas oil 425 – 600 C28 –C55
Residue > 600 > C55
The difference in cracking behavior of the heavy and light cuts is one of the main challenges from a modeling point of view. This difference in cracking behavior between light and heavy fractions is obviously related to typical differences in chemical constituents, e.g. heavy fractions contain significant amounts of di-, tri- and poly-aromatic compounds that are not present in light fractions [7]. The most advanced models allow modeling not only of steam cracking of light feedstocks such as naphthas but also of the cracking behavior of heavier feedstocks, such as gas oils, gas condensates and vacuum gas oils (VGO’s). In the Laboratory for Chemical Technology such a fundamental simulation model has been developed (Van Geem, 2006), i.e. COILSIM1D, which accurately describes the cracking of hydrocarbon mixtures ranging up to gas condensates. However, there is still room for improvement of the simulation results for certain fractions, e.g. C4 fractions containing important amounts of olefins. Moreover, the results for naphthas which contain a large amount of aromatics are also not always as accurate as could be because no such fractions were used to fit the kinetics used 1. Introduction 5 in the model. For the simulation of steam cracking of heavy fractions also several shortcomings exist. One of them is the small or nearly non-existing experimental database, which is used to verify the simulation results. The current reaction network, with a certain number of reactions and values for the reaction rate coefficients, probably needs revising. Another insufficiency is the lack of complete characterization of the heavy feedstock. The solution to this problem is the new GCxGC, which has a ‘time of flight’ mass spectrometer (Tof MS) and a flame ionization detector (FID). This GCxGC makes it possible to analyze the feed and the cracker effluent qualitatively and quantitatively. Both an extended experimental database and GCxGC analyses will make it possible to create more detailed and accurate fundamental simulation models for heavy hydrocarbon fractions.
After this general introduction, Chapter 2 is devoted to GCxGC and more precisely to feedstock analyses. This feedstock characterization can be used as input of the simulation program COILSIM1D. Chapter 3 discusses the experiments that are conducted on the pilot plant set-up for steam cracking. Heavier hydrocarbon fractions, C4 fractions and a naphtha produced from biomass are used as feed. The effluent analyses are performed with 1D gas chromatography and GCxGC. In Chapter 4 simulations are performed with COILSIM1D and SimCo. SimCo is used for the molecular reconstruction of the feedstock if a detailed characterization is not available. The obtained experimental results can be compared with the simulation results in order to eliminate the current shortcomings that exist in the simulation program for steam cracking.
Finally in Chapter 5 the conclusions are drawn and suggestions for further improvement of the pilot plant set-up and the simulation model COILSIM1D are made.
References
[1] BP Statistical review of world energy 2007. www.bp.com. 2007.
[2] Lippe, Daniel L. SECOND-HALF 2007: US olefins see improving feed economics, demand. Oil & Gas Journal. 5, 2008, Vol. 106.
[3] Commission on Engineering and Technical Systems (CETS). Review of the Research Strategy for Biomass-Derived Transportation Fuels . 1999.
[4] Nakamura, David. SPECIAL REPORT: Global ethylene capacity increases slightly in 2006. Oil & Gas Journal. 27, 2007, Vol. 105. 1. Introduction 6
[5] CMAI. The Petrochemical Outlook. 31 October 2008.
[6] MR, Riazi. Characterization and Properties of Petroleum Fractions. ASTM International. 2005.
[7] Van Geem, K. M., Reyniers, M.-F. en Marin, G. B. Challenges of Modeling Steam Cracking of Heavy Feedstocks. Oil & Gas Journal Rev. IFP. 2008.
2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 7
2. COMPREHENSIVE TWO -DIMENSIONAL GAS
CHROMATOGRAPHY OF STEAM CRACKING
FEEDSTOCKS
2.1. A new analytical method
Comprehensive two-dimensional gas chromatography (GCxGC) started to gain attention some 18 years ago, with applications mainly in the field of petrochemical analysis [1]. GCxGC differs from the already well known two-dimensional GC, since not only a few fractions of the eluent from the first column but the entire sample is now separated on two different columns [1]. Compared to two-dimensional GC, comprehensive GCxGC offers an improved resolution for all the components of interest, without loss of time. The signal-to- noise ratio (and sensitivity) is also significantly enhanced in comparison with one- dimensional GC.
A typical GCxGC set-up is shown in the left part of Figure 2.1. Two distinctly different separation columns are used which are based on two statistically independent separation mechanisms, that is why the two separations are called orthogonal. The first column contains a non-polar stationary phase (separation based on volatility), the second column is much shorter and narrower and contains a (medium) polar stationary phase (separation based on analyte-stationary phase interaction). One advantage of orthogonality is that ordered structures for structurally related components show up in the GCxGC chromatograms. A detailed group type separation is now possible. [2]
Between the two columns an interface, a cryogenic modulator, is present (see right part of Figure 2.1 for its working mechanism). Its main role is to trap adjacent fractions of the analyte eluting from the first-dimension column by cryogenic cooling, and heating-up these cold spots rapidly to release them as refocused analyte pulses into the second-dimension column. To prevent leakage of the first column material, two jets are used that each by turn collect the 2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 8
1st dimension eluent. The second-dimension separation must be completed before the next fraction is injected to avoid wrap-around, the phenomenon that second-dimension peaks show up in a later modulation than in which they were injected. This explains the shorter and narrower second-dimension column compared to the first one.
Figure 2.1: Typical GCxGC set-up (S0) General set-up of dual-jet cryogenic modulator; (S1) Right-hand-side jet traps eluent from 1 st dimension column (S2); cold spot heats up, analyte pulse into 2 nd dimension column + left-hand-side jet switch on; (S3) next modulation cycle [1]
The most common ways of visualization of the GCxGC chromatograms are a 2D color plot, a contour plot and a 3D plot, see Figure 2.2. Two dimensional chromatograms can be obtained because the second-dimension separation time equals the modulation time. This is an important feature of GCxGC.
In order to maintain the separation obtained in the first-dimension column, the narrow fractions trapped by the modulator and released in the 2 nd column should be no wider than one quarter of the peak widths in the 1 st dimension. The term “comprehensive” refers to this aspect of comprehensive GCxGC. As a consequence of this characteristic and since the modulation time must equal the 2 nd dimension run time, second-dimension separations should be very fast, in the order of 2 to 8 seconds. This will render very narrow 2 nd dimension peaks and a demand of correspondingly fast detectors, like an FID (flame ionization detector) for 2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 9 quantitative analysis or a Tof-MS (time-of-flight mass spectrometer) for qualitative analysis. [3][4][5] An example GCxGC color plot of a diesel fraction with an ordered structure for the group types which are separated and indicated in the plot, can be seen in Figure 2.3. [1][6]
Figure 2.2: Visualization of GCxGC output [1]
Figure 2.3: GCxGC color plot of a diesel fraction [7] 2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 10
2.2. GCxGC analyses & optimal settings
+ The GCxGC set-up at the LCT is part of the C 5 analysis section of the pilot plant unit for steam cracking of hydrocarbons. The GCxGC is combined with a flame ionization detector (FID) for quantitative analysis and a time-of-flight mass spectrometer (Tof-MS) for qualitative analysis. This new gas chromatograph can be used off-line and on-line, which makes a detailed GCxGC analysis of the cracker effluent possible. The cryogenic cooling of the eluent from the first dimension column is performed by carbon dioxide. Liquid CO 2 is stored in bottles that are placed in a battery behind the GCxGC equipment. The bottles are equipped with a dip tube. A problem that is encountered is an insufficient CO 2 pressure at the jets outlet. This causes breakthrough of the 1D eluent, since it is not enough trapped by the cooling. As a solution to this problem, the liquid CO 2 bottles are now heated at the bottom with a heating element whose temperature is set to 40°C. In this way, the pressure is increased and breakthrough is limited to the lightest components, see Figure 2.4.
2.2.1. Qualitative analysis
A detailed qualitative feedstock or effluent characterization is obtained using information from the samples GCxGC-Tof-MS spectrum, the molecular library and the Kovats retention indices.
Operation of the GCxGC-Tof-MS is computer controlled, with GC peaks automatically detected as they emerge from the column. Each individual mass spectrum is directly recorded onto the hard disk for subsequent analysis. This technique provides information on the identity of every individual component obtained by chromatographic separation by taking advantage of the common fragmentation pathways for individual substance classes. The interpretation of the mass spectra and library search using the XCalibur software allows the identification of various peaks observed in the chromatogram.
In the Hyperchrom software, by double-clicking on a peak, the mass spectrum of the single peak is shown below the chromatogram. Double-clicking on the peak again now opens the molecular library, see Figure 2.5. Several possible matches are presented, and by clicking on one of them, the spectrum of the unknown compound and the spectrum of the reference compound are both shown, so that they can be compared. The one that gives the best resemblance is chosen. For each reference compound, the name, chemical formula, chemical 2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 11
Figure 2.4: Top chromatogram: insufficient CO 2 pressure at the jets outlet results in breakthrough for the entire naphtha chromatogram. Bottom chromatogram: heating of the CO 2 bottles results in breakthrough limited to the lightest components 2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 12 structure, molecular weight and probability of a valid match is given, see Figure 2.6 for the example case.
Figure 2.5: Library search: mass spectrum of unknown compound (top) and reference compound (bottom)
Figure 2.6: Reference compounds: probability, name, chemical formula and molecular weight
2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 13
Figure 2.7: Library search: mass spectra of unidentified and reference components 2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 14
In Figure 2.7 the mass spectrum of the component that needs to be identified is compared with spectra of reference compounds. Attention must be paid to the molecular weight, which is indicated by the last appearing peak in the mass spectrum. In order to have an accurate match, the molecular weight of both the unidentified and the reference component must be the same i.e. 128 g/mol for the discussed example case. Only two reference compounds, n-nonane and 2,4-dimethyl-heptane, have an identical molecular weight. Since n-nonane has a much greater probability than 2,4-dimethyl-heptane (30.86 against 3.7), the previously unknown component is now identified as n-nonane.
Since components of the same type show up in ordered structures, characteristic group bands can be observed. The total ion current (TIC) chromatogram of a kerosene fraction is represented in Figure 2.8. It is recorded with the Tof-MS with a heating rate of 2°C/min and 4 seconds of modulation time. The individual group bands can be obtained by selecting the proper characteristic m/z values, see Figure 2.9.
naphthalenes
naphtheno-aromatics
alkylbenzenes
di-naphthenes mono-naphthenes
(iso)paraffines
Figure 2.8: TIC Tof-MS chromatogram kerosene fraction
2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 15
Figure 2.9: Characteristic group bands of a kerosene fraction (a) naphtheno-aromatics with masses 132, 146 (b) naphthalenes with masses 128, 142, 156 (c) alkylbenzenes with masses 120, 134 (d) benzothiophenes with mass 190 (e) di-naphthenes with masses 124, 138, 152, 166 (f) (iso)paraffins with masses 57, 71, 85 (g) mono-naphthenes with masses 55, 69, 83, 112 and (h) TIC chromatogram 2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 16
The Kovats retention index system provides a verification of the results obtained using the molecular library, since it gives the correct sequence wherein the components elute from the column. Kovats retention indices (KRI) form a logarithmic scale on which the adjusted retention time of a peak is compared with those of linear n-alkanes as reference compounds. More details about how the analyses are precisely performed in the Hyperchrom software can be found in Annex D.
2.2.2. Quantitative analysis
A quantitative analysis of a feedstock or effluent is carried out with the use of a GCxGC-FID spectrum. This analysis is based on the peak surface areas. The peak surface area in a chromatogram is proportional to the quantity of the corresponding component. Hence, integration of the peaks observed in the chromatogram makes it possible to obtain a quantitative analysis of the sample.
The integration of the modulated peaks can automatically be performed by the Hyperchrom software. However, since breakthrough cannot completely be excluded for light components manual integration becomes necessary at the beginning of the chromatogram. Breakthrough makes these peaks look more like unmodulated or one dimensional peaks. Figure 2.10 shows, in a one dimensional rendering of the GCxGC chromatogram, the difference in peak appearance when breakthrough occurs, at the beginning of the chromatogram, and when the peaks are well modulated. If the unmodulated peaks would not be manually integrated, only small parts and not the entire peak surface area would be taken in consideration. This would lead to wrong molecular compositions of the examined samples. 2. Comprehensive two-dimensional gas chromatography of steam cracking feedstocks 17
Figure 2.10: Manual integration when breakthrough occurs and automatic integration when good modulation appears
The peak surface areas Ai and mass fractions Mi of the components are related via the calibration factors CF i: